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Jun 24, 2023

N의 자기적 성질

과학 보고서 6권,

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 21832(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

실온보다 높은 퀴리 온도를 갖는 N-도핑된 그래핀은 나노자기 응용 분야에 적합한 후보입니다. 여기서 우리는 높은 퀴리 온도(>600K)에서 강자성 특성을 나타내는 일종의 N-도핑 그래핀을 보고합니다. 4개의 그래핀 샘플은 자기 전파 고온 합성(SHS)을 통해 제조되었으며 샘플의 도핑된 질소 함량은 0 at.%, 2.53 at.%, 9.21 at.% 및 11.17 at.%였습니다. 포화 자화 및 보자력장은 샘플의 질소 함량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. 질소 함량이 가장 높은 샘플의 경우 포화 자화는 10K에서 0.282emu/g, 300K에서 0.148emu/g에 도달합니다. 보자력은 10K에서 544.2 Oe, 300K에서 168.8 Oe에 도달합니다. N-도핑된 그래핀의 ~625K에서 자화율 감소는 주로 피롤릭 N과 피디닉 N의 분해로 인해 발생합니다. 우리의 결과는 SHS 방법이 높은 질소 농도를 갖는 N-도핑된 그래핀을 생산하는 효과적이고 높은 처리량 방법과 SHS 방법으로 생산된 N-도핑된 그래핀은 나노자기 응용을 위한 좋은 후보가 될 것으로 기대됩니다.

그래핀은 2004년 Novoselov와 Geim에 의해 처음 분리된 이후 엄청난 주목을 받았습니다1,2. 그래핀은 에너지 소재, 마이크로전자공학, 센서, 초전도체 등 광범위한 분야에서 많은 우수한 특성을 갖고 있는 것으로 나타났습니다3,4. 최근 몇 년 동안 연구자들은 도핑되거나 결함이 있는 그래핀 또는 산화 그래핀5,6,7에서 자성을 발견했으며, 이는 자성의 기원, 영향 요인 및 이러한 2D 재료의 향후 적용에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰습니다.

나노재료의 자성은 나노과학과 나노기술에서 빠르게 떠오르는 분야의 최전선에 있는 과학 분야입니다. 현재 기술 응용 분야에서 자성 재료는 주로 d 및 f 요소를 기반으로 합니다. 일부 저차원 물질에서는 예상치 못한 자기 특성이 발견되었습니다. 하나 이상의 차원이 감소하면 일반적으로 원자의 배위 수가 감소하여 전자의 호핑 경향이 감소합니다8,9,10. 또한 쿨롱 상호작용/대역폭 비율이 향상되어 치수가 감소된 재료에서 자성이 나타나는 경향이 촉진될 것으로 예상됩니다.

그래핀의 자기적 성질에 대한 연구는 경량화, 고강도, 고열전도성을 갖는 자성재료 개발의 가능성을 확립하였다. 캐리어 도핑된 그래핀은 매우 큰 반자성 감수성을 갖는다는 것이 최근에 밝혀졌습니다. 전자나 정공의 캐리어 도핑이 증가하면 민감도가 급격히 감소합니다. Chen과 Oleg V. Yazyev는 점 결함이 있는 그래핀의 변형이 강자성체-반강자성체 전이가 가능한 탄소 나노구조를 기반으로 한 자성을 구현하게 한다고 보고했습니다. 흑연 산화물의 자작나무 환원에 의해 제조된 수소 말단 그래핀의 실온에서 작은 강자성 신호도 0.006 emu/g15의 자화로 관찰되었습니다. 마찬가지로 히드라진을 사용하여 산화 그래핀을 부분적으로 환원한 후 실온 포화 자화 0.02emu/g이 보고되었습니다. 환원된 산화 그래핀으로 구성된 샘플은 300K에서 0.79 emu/g의 자화를 갖는 것으로 보고되었으며 500 °C에서 추가 어닐링을 통해 값이 1.99 emu/g으로 증가했습니다. 그래핀 옥사이드(GO)에 대한 높은 퀴리 온도(>700K)를 갖는 높은 실내 온도 강자성 모멘트는 인산을 사용한 간단한 화학적 활성화에 이어 열처리를 통해 얻어지며 보자력은 20 Oe6 미만이라는 사실이 흥미롭습니다. 치환 도핑은 그래핀12의 전자 및 자기 특성을 변조하는 유망한 방법입니다. 100eV 저에너지 전자 조사 후 그래핀 내장 탄소(GSEC) 필름의 실온 자화는 최대 0.26emu/g18에 이를 수 있다고 보고되었습니다. 또한 N-도핑된 그래핀은 샌드위치 기판을 고온에서 진공 어닐링하여 합성할 수 있다고 보고되었습니다. Duet al. 암모니아에서 환원된 산화그래핀을 어닐링하여 N-도핑된 그래핀을 제조했는데, 이는 상대적으로 낮은 온도(600°C 이하)에서 자화를 증가시킬 수 있습니다. Li et al. 피롤릭 N은 가장자리 상태의 스핀 분극에 덜 영향을 미치는 피리딘 N에 비해 0.95μB/N의 순 자기 모멘트를 유도할 수 있다고 지적했습니다. 전이 금속에 의한 퍼할로겐화 아렌 및 피리딘 전구체의 화학양론적 탈할로겐화에 기초한 합성 경로는 그래핀 도메인을 갖는 sp2 배위 탄소의 형성을 가능하게 하며 특히 피롤 결합 부위에 질소를 통합하는 옵션을 가능하게 합니다. N-도핑된 GO23에 대해 약 100K의 퀴리 온도와 2K에서 1.66emu/g의 자화가 보고되었습니다. 6.02 at.% 도핑 농도의 고처리량 열수 방법을 통해 합성된 피롤릭 N 도핑 그래핀은 포화 자기 모멘트(0.014 emu/g)와 좁은 보자력(181.4 Oe)5을 갖는 상당한 강자성을 나타냈습니다. 결과적으로, 그래핀의 자성은 기존의 전이 금속 기반 강자성에 비해 흥미로운 특성과 여러 가지 장점으로 인해 뜨거운 연구 주제입니다.